CN202228127U - 具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置，该监测装置用于采集矿井火灾安全数据并通过无线方式传输数据，所述矿井火灾传感器监测装置包括：无线一氧化碳传感器、无线风压传感器和无线温度传感器。无线一氧化碳传感器采集矿井内一氧化碳浓度数据；无线风压传感器采集矿井内风压力变化数据；无线温度传感器采集矿井内温度数据。根据本实用新型的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置能够通过监测煤矿内一氧化碳的浓度、风压变化和温度，能够精准地预报和监测煤矿井下火灾，且简化了软件报警判断方法，提高了判断的准确性。

Description

具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿井下安全监测和无线通讯领域，特别是涉及一种具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置。

背景技术

我国煤矿地质条件复杂，火灾是煤矿下主要自燃灾害之一。我国具有自燃发火危险的煤矿所占比例大、覆盖面广。大中型煤矿中，自燃发火危险程度严重或较严重的煤矿占72.9％。由于煤层自燃，我国每年损失煤炭资源2亿吨左右。自燃发火也是酿成煤矿瓦斯爆炸重大恶性事故的原因之一，造成惨痛事故。

随着我国煤矿机械化程度的提高，胶带输送机火灾所占比重有上升趋势，胶带机火灾的发生和发展比较突然和迅猛，并伴有大量烟雾和有害气体造成人员窒息，并可能引爆瓦斯、煤尘造成更大的灾害。

通过连续监测煤矿内、外因火灾潜伏期的征兆并实现火灾预报，可以降低火灾防治费用，避免灾害事故发生，是最有利的煤矿井下火灾防治措施。

目前，我国煤矿自燃火灾监测和预报主要使用束管监测系统，通过束管取样分析井下巷道、采空区中的生成气体浓度预报煤自燃发火。束管技术的优点是井下无电气设备，但只限于分析火灾气体，对自燃发火温度，发火区域漏风状态等则无法监测。同时，束管设备也存在气体输送距离远，取样时间延迟，分析数据实时性差，以及束管内的冷凝水积存，堵塞管路不易处理，出现分析数据不够准确等技术缺陷。因此，许多煤矿的束管监测系统形同虚设，不能在安全生产中发挥作用。

煤温变化是最直接的火灾预报参数。按我国国家安全标准AQ1029中规定，开采容易自燃煤层的煤矿的采煤工作面应设置温度传感器。现有的煤矿安全监测系统只能监测井下巷道环境中的温度，不适于煤自燃发火预报，会贻误火灾防治时机。国内有些自燃发火煤矿在采空区内放置温度监测探头，但基本上采用人工巡检方法观测。

在胶带机火灾监测方面，基本上采用在胶带机巷放置烟雾传感器监测火灾，传感器只能监测烟雾有无状态，不能实现胶带机火灾的早期预报。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置。

根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置用于采集矿井安全数据并通过无线方式传输数据，所述具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置包括：

无线一氧化碳传感器，所述无线一氧化碳传感器采集矿井内一氧化碳浓度数据；无线风压传感器，所述无线风压传感器采集矿井内压力变化数据；和无线温度传感器，所述无线温度传感器采集矿井内温度数据。

由此，根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置能够将采集到的矿井安全数据通过无线传输而无需有线连接，这样既节省了铺设有线连接的费用，也不会因为有线连接在布局上受到限制，还能够在矿井灾难发生时较有线连接有更好的抗干扰性(不会因为有线连接断开而中断数据传输)。另一方面，根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置1仅通过监测煤矿内一氧化碳的浓度、风压变化和温度能够精准地预报和监测煤矿井下火灾，而无需监测多种矿井气体和其他安全因素，因此不用包括更多种传感器，因而节省了成本，且简化了软件报警判断方法、提高了判断的准确性。

另外，根据本实用新型实施的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置还可以具有如下附加技术特征：

所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置具有LCD显示器件，用以显示所述矿井火灾安全数据。

所述无线一氧化碳传感器设于矿井巷道内和/或胶带机处，且包括：ZigBee无线网络通讯模块、一氧化碳测量模块、一氧化碳敏感元件和供电电池，其中所述一氧化碳测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与所述ZigBee无线网络通讯模块连接，进行数据交换。

所述一氧化碳敏感元件为电化学元件。

所述无线风压传感器设于矿井密闭区和/或采空区内，且包括：ZigBee无线网络通讯模块、压力敏感元件和供电电池，其中所述压力敏感元件包括用于测量压差的压差传感器和用于测量相对压力的压力传感器。

所述压差传感器为扩散硅微压差传感器。

所述无线温度传感器设于矿井采空区、密闭区、煤柱钻孔和/或胶带机处且测温上线为150℃，所述无线温度传感器包括：ZigBee无线网络通讯模块、数据采集模块和多个温度探头，其中所述数据采集模块与所述多个温度探头之间采用有线连接。

所述无线温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

所述ZigBee无线网络通讯模块为全功能设备，能够提供信息双向传输，且能够对信息进行存储和计算。

所述ZigBee无线网络通讯模块包括RF收发器、MCU控制器、OdBm全向天线，且所述ZigBee无线网络通讯模块内嵌符合IEEE802.15.4标准协议的通讯软件。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为一氧化碳浓度随煤温变化曲线图。

图2为二氧化碳浓度随煤温变化曲线图。

图3为甲烷浓度随煤温变化曲线。

图4为乙烷浓度随煤温变化曲线。

图5为丙烷浓度随煤温变化曲线。

图6为乙烯浓度随煤温变化曲线。

图7是根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置的工作示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

煤矿井下火灾监测技术是指在开采后，根据煤在自燃过程中的升温、释放气体等变化特征，判别自燃状态，对自燃发火进行识别并预警的技术。

指标气体分析法是目前国内外预报火灾的主要方法。煤在自燃过程中释放出一氧化碳、二氧化碳、烷烃、烯烃以及炔烃等气体，鉴于气体漂移性和渗透性好，因此，通过气体指标来分析判定煤自燃程度具有重要价值。

但是，对煤自燃过程释放出的多种气体都进行数据采集、分析，再判断煤的自燃状况，一方面需要增加不同类型的传感器，另一方面分析和判断方法复杂且可能因为多种气体而产生不同的预测结果，从而使煤矿火灾真实状况难以判断。因此，如果找到一种足以能够判断自燃发火征兆的气体作为标志性气体，并根据标志性气体变化的规律预测火灾，将会降低监测系统的成本且简化软件报警判断方法、提高了判断的准确性。

发明人在煤自燃发火模拟试验台上进行发火模拟实验，实验装置主要包括炉体、气体监测系统、温度监测系统和控制系统等。通过模拟实验比对煤自燃产生的气体中哪种能始终贯穿自燃过程且在自然不同阶段能体现明显的浓度变化。

如图1-图6所示，从上述曲线中可以看出，一氧化碳气体贯穿于整个煤自然发火过程，煤温在50℃以上时即释放出可测定的一氧化碳，一氧化碳产出量随着煤温急剧上升。烷烃(甲烷、乙烷、丙烷)出现的时间几乎与一氧化碳同步，但其浓度低，而且在不同煤种中有不同的显现规律；烯烃气体较一氧化碳和烷烃气体出现的晚，乙烯在110℃左右能被测出，是煤自然发火进程是否加速氧化阶段的标志气体；炔烃气体出现的时间最晚，只有在较高温度段才出现。

从煤自然发火预报的早期性和气体可监测性考虑，发明人确定一氧化碳为本系统监测煤自燃标志性气体，同时也是胶带机火灾预报标志性气体。

测定煤矿温度变化是判断煤自燃发生和发展阶段的依据。测温法是指利用温度传感器对被测地点进行温度监测，确定煤与周围介质温度变化情况，以此预测火灾。测温法主要分为两种：一是通过直接监测煤柱、采空区多点分布温度，建立采空区温度场模型，解析确定煤自燃隐患点(或火源点)；二是通过连续监测胶带机隐患点温度早期预报火灾。温度作为辅助火灾预报参数，提高系统预报可靠性。

最后，采空区漏风是煤自燃火灾的必要条件。通过连续监测密闭区内外或其它关键位置气压差的变化，为准确预报煤矿井下火灾提供了辅助参考。

下面参考附图7来描述根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置1。

根据本实用新型实施例的煤矿井下火灾传感器监测装置1包括：无线一氧化碳传感器11、无线风压传感器12和无线温度传感器13。

具体而言，如图7所示，本实用新型的煤矿井下火灾传感器监测装置1用于无线传感器网络中，作为网络中的节点采集矿井安全数据并通过无线方式向其上层节点，例如无线网关2，传输矿井安全数据。无线一氧化碳传感器11采集矿井内一氧化碳浓度数据；无线风压传感器12采集矿井内压力变化数据；无线温度传感器13采集矿井内温度数据。根据每个煤矿的结构不同，本实用新型实施例的煤矿井下火灾传感器监测装置1在满足无线传输距离范围内可以配置上述每种无线传感器的数量和位置。

由此，根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置1能够将采集到的矿井安全数据通过无线传输而无需有线连接，这样既节省了铺设有线连接的费用，也不会因为有线连接而在布局上受到限制，还能够在矿井灾难发生时较有线连接有更好的抗干扰性(不会因为有线连接断开而中断数据传输)。另一方面，根据本实用新型实施例的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感器监测装置1仅通过监测煤矿内一氧化碳的浓度、风压变化和温度能够精准地预报和监测煤矿井下火灾，而无需监测额外的矿井气体和其他安全因素，因此不用包括更多种传感器，因而节省了成本，且简化了软件报警判断方法、提高了判断的准确性。

根据本实用新型的一个实施例，本实用新型的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置1具有LCD显示器件，用以显示上述三种矿井安全数据。因此当工人在井下工作时也可以通过观察LCD显示的安全数据判断是否需要采取措施或者撤离井下。同时，由于采用LCD作为显示部件，因此达到节省监测装置1能耗的作用。

根据本实用新型的一个实施例，无线一氧化碳传感器11设于矿井巷道内和/或胶带机处。胶带机滚筒和托滚处通常是火灾的重点隐患点，因此，优选地，在胶带机滚筒和托滚处设置无线一氧化碳传感器11。

根据本实用新型的一个实施例，传感器无线网络采用ZigBee协议。通过ZigBee无线通信技术建立的煤矿井下无线传感器网络，根据煤矿井下开拓、回采巷道和回采工作面布局特点，将无线传感器网络分成多个分支，每个分支由各种无线火灾监测传感器及无线网络监测设备组成。无线网络内的所有设备是网络中的一个节点，每个节点既完成自身火灾参数的数据采集和无线发送，又通过无线接收和发送临近节点的信息，上行或下行将信息发送到目标节点，完成无线数据自组对等通讯，实现多点对多点的通讯，通过节点内置的防碰撞算法管理，及时响应每一个传感器节点的上传数据。

根据本实用新型的一个实施例，无线一氧化碳传感器11包括：ZigBee无线网络通讯模块、一氧化碳测量模块、一氧化碳敏感元件和供电电池，其中一氧化碳测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与所述ZigBee无线网络通讯模块连接，进行数据交换。考虑到电量的消耗，一氧化碳敏感元件采用微功耗化学元件，电子元件全部采用低功耗贴片安装器件。

根据本实用新型的一个实施例，无线风压传感器12设于矿井密闭区和/或采空区内。无线风压传感器12包括：ZigBee无线网络通讯模块、压力敏感元件和供电电池，其中所述压力敏感元件包括用于测量压差的压差传感传感器和用于测量相对压力的压力传感器。

压力敏感元件包括用于测量压差的压差传感器和用于测量相对压力的压力传感器。优选地，压差传感器采用高灵敏度扩散硅微压差传感器，并通过严格的温度补偿措施使其适用于采空区漏风的微小压力变化的监测

根据本实用新型的一个实施例，无线温度传感器13设于矿井采空区、密闭区、煤柱钻孔和/或胶带机处。与无线一氧化碳传感器11的设置相同，优选地，在胶带机滚筒和托滚处设置无线温度传感器13。

无线温度传感器13包括：ZigBee无线网络通讯模块、数据采集模块和多个温度探头131，其中所述数据采集模块与多个温度探头131之间采用有线连接，以保证多个温度探头131与数据采集模块之间的通讯流畅。

由于根据本实用新型实施例的基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统主要用于监测火灾潜伏期，因此无线温度传感器13测温上限不超过150℃。考虑到低功耗和低成本以及高精度的要求，无线温度传感器13采用美国Dallas半导体公司的DS18B20型数字化温度传感器。该传感器是“一线总线”接口的温度传感器，便于数据采集模块采集温度数据。

根据本实用新型的一个实施例，上述ZigBee无线网络通讯模块为全功能设备，能够提供信息双向传输，且能够对信息进行存储和计算。

根据本实用新型的一个实施例，ZigBee无线网络通讯模块包括RF收发器、MCU控制器和OdBm全向天线，且ZigBee无线网络通讯模块内嵌符合IEEE802.15.4标准协议的通讯软件。

根据本实用新型的一些实施例，无线一氧化碳传感器11、无线压差传感器12和无线温度传感器13均为矿用隔爆兼本质安全型装置，以适应煤矿井下恶劣的工作环境。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，用于采集矿井火灾安全数据并通过无线方式传输数据，所述具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置包括：

无线一氧化碳传感器，所述无线一氧化碳传感器采集矿井内一氧化碳浓度数据；

无线风压传感器，所述无线风压传感器采集矿井内压力变化数据；和

无线温度传感器，所述无线温度传感器采集矿井内温度数据。

2.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，具有LCD显示器件，用以显示所述矿井火灾安全数据。

3.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述无线一氧化碳传感器设于矿井巷道内和/或胶带机处，且包括：ZigBee无线网络通讯模块、一氧化碳测量模块、一氧化碳敏感元件和供电电池，其中所述一氧化碳测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与所述ZigBee无线网络通讯模块连接，进行数据交换。

4.根据权利要求3所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述一氧化碳敏感元件为电化学元件。

5.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述无线风压传感器设于矿井密闭区和/或采空区内，且包括：ZigBee无线网络通讯模块、压力敏感元件和供电电池，其中所述压力敏感元件包括用于测量压差的压差传感器和用于测量相对压力的压力传感器。

6.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述压差传感器为扩散硅微压差传感器。

7.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述无线温度传感器设于矿井采空区、密闭区、煤柱钻孔和/或胶带机处且测温上线为150℃，所述无线温度传感器包括：ZigBee无线网络通讯模块、数据采集模块和多个温度探头，其中所述数据采集模块与所述多个温度探头之间采用有线连接。

8.根据权利要求1所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述无线温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

9.根据权利要求3或5或7所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述ZigBee无线网络通讯模块为全功能设备，能够提供信息双向传输，且能 够对信息进行存储和计算。

10.根据权利要求9所述的具有无线传输功能的煤矿井下火灾传感监测装置，其特征在于，所述ZigBee无线网络通讯模块包括RF收发器、MCU控制器、OdBm全向天线。 

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